光纤传感器课件_4

光纤传感器 光调调制与解调调技术术 1.2 光纤传感器 光纤传纤传 感器基础础 1 2 光纤传纤传 感器实实例 3 4.4 2 光纤传感器 光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS ）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能 力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构 简单、以及与光纤传输线路相容等。 光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、 弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、 湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物 理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前 景。 第一节 光纤传感器基础 3 光纤传感器 一.光纤的结构 光纤是用光透射率高的电介质(如石英、玻璃、 塑料等)构成的光通路。光纤的结构如图1所示，它 由折射率n1较大(光密介质)的纤芯，和折射率n2较 小(光疏介质)的包层构成的双层同心圆柱结构。 图1 光纤的基本结构与波导 4 光纤传感器 二.传光原理 光的全反射现象是 研究光纤传光原理的 基础。根据几何光学 原理，当光线以较小 的入射角1由光密介 质1射向光疏介质2(即n1n2)时(见图2)，则一部分 入射光将以折射角2折射入介质2，其余部分仍以 1反射回介质1。 图2 光在两介质界面 上的折射和反射 5 光纤传感器 依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律， 有 (1) 当1角逐渐增大，直至1=c时，透射入介质2的 折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播 (2=90)。对应于2=90时的入射角1称为临 界角c；由式(1)则有 (2) 由图(1)和图(2)可见，当1c时，光线 将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向 前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光 的工作基础。 6 光纤传感器 同理，由图1和Snell定律可导出光线由折射 率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反 射的临界角(始端最大入射角)为 (3) 式中NA定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集 光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多 大，只有2c张角内的光，才能被光纤接收、传播( 全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤 通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的 NA=0.20.4。 7 光纤传感器 三.光纤的种类 光纤按纤芯和包层材料性质分类，有玻璃光 纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型 二种，如图3所示。阶跃型光纤纤芯的折射率不随半 径而变；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。梯 度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线 由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这 类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波 ，如图4所示。光纤的另一种分类方法是按光纤的传 播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类。 8 光纤传感器 图3 光纤的折射率断面 (a)阶跃型；(b)梯度 型 图4 光在梯度型 光纤的传输 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向传播 的两种平面波成分。后者纤芯和包层的界面上会产生全反射。当 它在横切向往返一次的相位变化为2的整数倍时，将形成驻波 。形成驻波的光线组称为模；它是离散存在的，亦即某种光纤只 能传输特定模数的光。通常纤芯直径较粗时，能传播几百个以上 的模，二纤芯很细时，只能传播一个模。前者称为多模光纤，多 用于非功能型(NF)光纤传感器；后者是单模光纤，多用于功能型 (FF)光纤传感器。 9 光纤传感器 四.光纤的特性 信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特 性(详细情况参见参考资料1）。 五.光纤传感器分类 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能 型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF 型光纤传感器；另一类是非功能传感器(Non- Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感 器。前者是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感 元件，所以又称传感型光纤传感器；后者是利用其 他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传 输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信 号，因此，也称传光型光纤传感器。 10 光纤传感器 六.光纤传感器的发展趋势 光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基 础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光 明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面 仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器 和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明 光纤传感器的可能发展趋势： 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传 感器的主要研究对象。 集成化光纤传感器。 多功能全光纤控制系统。 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监 测系统。 开辟新领域。 11 光纤传感器 光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频 率和波长等方式。 光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载 波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。 在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光 携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测 器进行检测。 第二节 光调制与解调技术 12 光纤传感器 2.1 强度调制与解调 光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载 波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方 式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。 解调过程主要考虑的是信噪比是否能满足测 量精度的要求。 13 光纤传感器 微弯损耗强度调制器的 原理如图。当垂直于光 纤轴线的应力使光纤发 生弯曲时，传输光有一 部分会泄漏到包层中去 。 几种常用的光强调制技术 1.微弯效应 14 光纤传感器 外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传 光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常 用的调制器是反射器和遮光屏。 2.光强度的外调制 15 光纤传感器 利用折射不同 进行光强度调制的 原理包括：利用 被测物理量引起传 感材料折射率的变 化；利用折射率 不同的介质之间的 折射与反射 3.折射率光强度调制 16 光纤传感器 光强度信号转化为电信号 强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功 率之比要足够大. 强度调制的解调 17 光纤传感器 光波是横波。光振动的电场矢量E和磁场矢量H 和光线传播方向s正交。按照光的振动矢量E、H 在垂直于光线平面内矢端轨迹的不同，又可分为 线偏振光（又称平面偏振光）、圆偏振光、椭圆 偏振光和部分偏振光。利用光波的这种偏振性质 可以制成光纤的偏振调制传感器。 光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光 、光弹等物理效应。在解调过程中应用检偏器。 2.2 偏振调制与解调 18 光纤传感器 如图所示，当压 电晶体受光照射并 在其正交方向上加 以高电压，晶体将 呈现双折射现象 普克耳效应。在 晶体中，两正交的 偏振光的相位变化 ： 调制原理 1. 普克耳（Pockels）效应 19 光纤传感器 平面偏振光通 过带磁性的物 体时，其偏振 光面发生偏转 ，这种现象称 为法拉第磁光 效应，光矢量 旋转角： 2.法拉第磁光效应光纤 20 光纤传感器 在垂直于光波传播 方向施加应力，材 料将产生双折射现 象，其强弱正比于 应力。这种现象称 为光弹效应。偏振 光的相位变化： 3.光弹效应 21 光纤传感器 相位调制的基本原理是：通过被测能量场的作用 ，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波 发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变 换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。 2.3 相位调制与解调 22 光纤传感器 光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将 产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变 化： 光纤的长度变化应变效应 光纤芯的直径变化泊松效应 光纤芯的折射率变化光弹效应 实现相位调制的物理效应 1.应力应变效应 23 在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位 响应都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待 测场可以是变化的温度T。 由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长 ，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。 光纤传感器 2.热胀冷缩效应 24 光纤传感器 相位解调原理 两束相干光（信号光束和参考光束）同时照射 在一光电探测器上，光电流的幅值将与两光束的相 位差成函数关系。两光束的光场相叠加，合成光场 的电场分量为 ： 光电探测器对合成光束的强度发生响应。设自由 空间阻抗为Zo，则入射到光电探测器光敏面Ad的功率 为 25 光纤传感器 最终探测信号电流为 其中 26 光纤传感器 探测器响应的是光波在许多周期内测得的平均功率。上式括 号中的后三项相当于光频（2）的电流变化，光电探测器 不能响应如此高频率的变化，可以忽略。因此上式可以简化 为： 上式表明,探测器输出电流的变化取决于两光束的初始相位和相 位变化。可见，通过干涉现象能将两光束之间的相位差转化为 电流变化。如果 ，即干涉光束初相位正交，相差 , 那可较容易地把这种相位变化提取出来，这种探测方式称为零 差检测。 27 光纤传感器 右图为普通光学迈克尔逊 干涉仪原理图。由激光器 输出的单色光由分束器（ 把光束分成两个独立光束 的光学元件）分成为光强 相等的两束光。光束1射向 固定反射镜然后反射回分 束器，再被分束器分解： 透射部分那束光由光探测 器接收，反射的那部分光 又返回到激光器。 干涉测量仪与光纤干涉传感器原理 1.迈克尔逊干涉仪 28 光纤传感器 由激光器输出，经分束器透射的另一束光2入射 到可移动反射镜上，也反射回分束器上，经分束器 反射的一部分光传至光探测器上，而另一部分光则 经由分束器透射，也返回到激光器。当两反射镜到 分束器间的光程差小于激光的相干长度时，射到光 探测器上的两相干光束即产生干涉。两相干光的相 位差为： 式中 Ko光在空气中的传传播常数 2l 两相干光的光程差 29 光纤传感器 图为马赫泽德 尔干涉仪的工作原理 。与迈克尔逊干涉仪 不同的是，它没有或 很少有光返回到激光 器。返回到激光器的 光会造成激光器的不 稳定噪声，对干涉测 量不利。 2.马赫泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪 30 光纤传感器 激光经分束器分为反射和 透射两部分。这两束光均 由反射镜反射形成传播方 向相反的闭合光路，并在 分束器上会合，送入光探 测器，同时也有一部分返 回到激光器。在这种干涉 仪中，两光束的光程长度 相等。根据双束光干涉原 理，在光电探测器上探测 不到干涉光强的变化。 3.塞格纳克（Sagnac）干涉仪 31 但当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的 平台上时，两束传播方向相反的光束到达光电探测器就有不 同的延迟。若平台以角速度顺时针旋转，则在顺时针方向 传播的光较逆时针方向传播的光延迟大。这个相位延迟量可 表示为： 式中 为旋转率；A为光路围成的面积；c为真空中光 速；o为真空中的光波长。通过检测干涉光强的变化 ，就能知道旋转速度。 光纤传纤传 感器 32 光纤传感器 频率调制时光纤往往只起传 输光信号的作用，而不作为敏 感元件。 目前主要是利用光学多普勒 效应实现频率调制。图中，S为 光源，P为运动物体，Q是观察 者所处的位置。若物体 P的运 动速度为v，方向与PS及PQ的夹 角分别为1和2，则从S发出 的频率为f1的光经过运动物体P 散射，观察者在Q处观察到的频 率为f2。 4 频率调制与解调 33 光纤传感器 根据多普勒原理可得： 光频率调制的解调原理与相位调制的解调相同，需 要两束光干涉。探测器的信号电流公式的推导亦与相 位调制的解调相同；只要用2ft代替式（926） 中的（t），即可得： 34 光纤传感器 第三节 光纤传感器实例 光纤液位传感器 35 光纤传感器 结构特点：光纤测头端有一个圆锥体反射器。当测头置于空 气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全内反射而回到光电 二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全 内反射被破坏，有部分光线透入液体内，使返回到光电二极管 的光强变弱；返回光强是液体折射率的线性函数。返回光强发 生突变时，表明测头已接触到液位。 光电接收器的要求不高